第十五章藍芽

第十五章藍芽

概觀 • 提供統一的短距無線功能 • 操作在2.4 GHz 頻帶 • 毋須執照 • 10 公尺內可達720 kbps的傳送容量 • 支援各種的應用 • 資料, 音訊, 圖畫, 視訊

藍芽的應用 • 資料與語音進接點 • 即時語音與資料傳輸 • 纜線替代 • 消除任何通訊裝置間的大量所需的纜線連接 • 隨意網 • 具有藍芽無線電的裝置只要在另一個藍芽裝置進入範圍內就可迅速連線

藍芽標準文件 • 核心規格 • 描述藍芽協定架構的各層，從無線電介面到鏈結控制。 • 應用規格 • 使用藍芽技術支援各種應用

協定架構 電話控制規格--二元的使用者數據電文協定虛擬行事曆虛擬名片無線應用環境無線應用協定注意序列(數據機的前導字) 網際網路協定物件交換協定點對點協定射頻通訊服務發現協定傳輸控制協定圖15.2 藍芽協定堆疊

協定架構(續) • 核心協定 • 無線電 • 基頻帶 • 鏈結管理者協定(LMP) • 邏輯鏈結控制與適應協定(L2CAP) • 服務發現協定(SDP)

協定架構(續) • 纜線替代協定 • RFCOMM • 電話控制協定 • 電話控制規格 – 二元的 (TCS BIN) • 採納協定 • PPP • TCP/UDP/IP • OBEX • WAE/WAP

使用模型 • 檔案傳送 • 網際網路橋接器 • 區域網路存取 • 同步 • 三合一電話 • 耳機

微網與散網 • 微網 • 藍芽中連網的基本單元 • 一個主機與可從一到七個活動中的從屬裝置所組成 • 主機者決定頻道與相位 • 散網 • 在一微網內的裝置也可以是另一微網的一部分,並且在每個散網中都可當主機或從屬裝置 • 允許許多裝置分享相同的實體區域 • 充分運用頻寬

主機/從屬裝置關係 圖15.4 主機/從屬裝置關係

無線網路組態 (a) 蜂巢式系統(方形代表靜止不動的基地台) (b) 傳統隨意網系統 (c) 散網圖15.5 無線網路組態

無線電規格 • 依輸出功率發射機分成三類 • 第1類: 最大範圍用100 mW 輸出 • 功率控制是強制要有的 • 提供最大的距離 • 第2類: 最大輸出2.4 mW • 功率控制是選項 • 第3類: 一般輸出為1 mW • 最低的功率

藍芽中跳頻目的 • 抵抗干擾與多重路徑效應 • 提供在相同位置但不同微網之裝置間的一種多重進接形式

跳頻 • 每個頻寬1MHz • FH 的產生是依一虛擬隨機序列從一個實體頻道跳到另一個頻道 • 相同的跳躍次序由在單一個微網內的所有裝置所共用 • 微網存取: • 藍芽無線電用分時雙向多工機制(TDD) • 存取技術採用 TDMA • FH-TDD-TDMA

跳頻(續) 圖15.6 跳頻分時雙向多工

跳頻(續) 625s f(k+2) f(k+3) f(k+1) f(k+4) f(k+6) f(k+5) f(k) t f(k+3) f(k+5) f(k+6) f(k+4) f(k) t f(k+6) f(k) f(k+5) 圖15.7 多時槽封包範例

主機與從屬裝置的實體鏈結 • 同步連線建立導向 (SCO) • 涉及主機與從屬裝置的點對點連接之間配置固定的頻寬 • 主機使用保留時槽來維持鏈結 • 主機可同時支援高達三個SCO鏈結 • SCO封包都不會被重傳 • 非同步無連線建立 (ACL) • 主機與微網內的所有從屬裝置之間的單點對多點的鏈結 • 只能單一的ACL鏈結可存在 • 對多數的ACL封包，封包可重傳

藍芽封包 • 存取碼 – 用於時間上的同步、偏離補償、傳呼與詢間 • 標頭– 同來辨別封包種類並攜帶協定控制資訊 • 承載 – 若有，則含使用者語音或資料，而在多數情況下是含承載標頭

藍芽封包格式 位元1 0到2745 存取碼標頭承載 (a) 封包格式前符碼標尾同步字 (b) 存取碼控制種類標頭錯誤控制(HEC) (c) 標頭格式(編碼前) 單時槽封包流量長度未定義長度多時槽封包流量 (d) 資料承載標頭格式圖15.8 藍芽基頻帶格式

存取碼種類 • 通道存取碼 (CAC) – 辨認出一個微網（對微網是唯一的） • 裝置存取碼 (DAC) – 用來傳呼及其隨後的回應 • 詢問存取碼(IAC) – 詢問用

存取碼 • 前符碼– 用於DC的補償 • 0101的位元型態(若同步字中的LSB位元為0) • 1010的位元型態(若同步字中的LSB位元為1) • 同步字 – 64位元, derived from: • 7位巴克序列 • 低位址部分 (LAP) • 虛擬隨機序列(PN) • 標尾 • 0101的位元型態(若同步字中的MSB位元為1) • 1010的位元型態(若同步字中的MSB位元為0)

封包標頭 • AM_ADDR – 含有其中一個從屬裝置中的「活動模式」位址 • 種類 – 辨別封包的型態 • 流量 – 1位元的流量控制機置 • ARQN – 1位元的回覆機置 • SEQN – 1位元的循序編號方法 • 標頭錯誤控制 (HEC) – 8位元的錯誤偵測碼

承載格式 • 承載標頭 • L_CH欄位 – 辨別邏輯通道 • 流量欄位– 用來控制L2CAP層的流量 • 長度欄位 – 承載中資料位元組的數目 • 承載主體 – 含使用者資料 • CRC – 16位元CRC碼

錯誤更正 • 1/3 速率FEC (直接錯誤更正碼) • 用在18位元封包標頭以及HV1封包的語音欄位欄位 • 2/3速率FEC • 用在所有DM封包、DV封包的資料欄位中、 FHS 封包中以及HV2封包中 • 自動重傳要求(ARQ) • 用在DM與DH封包以及DV封包的資料欄位

ARQ法要素 • 錯誤偵測 – 目的地站台偵測錯誤並丟棄有錯的封包。 • 正回覆 –當目的地站台成功收到無誤的封包時，回傳一個正回覆。 • 時間到後重傳 –在一個預先決定的時間內沒有收到回覆，則來源端重傳封包。 • 負回覆與重傳 –對於一個被偵測出有錯誤的封包，目的地站台回傳一個負回覆。來源端重傳此封包。

ARQ方法 最近DM/DH /DV封包已回覆1次改變SEQN位元沖刷傳送舊承載傳送新承載 (b) 對有CRC封包傳送的過濾接受承載忽略承載拒絕承載接受承載在下次傳輸中用先前的 ARQN 下次傳輸時下次傳輸時圖15.11 藍芽ARQ方法 (a) 決定ARQN位元的播放協定

邏輯通道 • 鏈結控制 (LC) • 鏈結管理者 (LM) • 使用者非同步 (UA) • 使用者等時性(UI) • 使用者同步 (US)

通道控制 • 以鏈結建立與維持期間的運作狀態可瞭解微網的動作 • 兩個主要狀態 • 待機 – 預設狀態。這是一個低功率的狀態，其中只有最基本的時脈在跑。 • 連線 – 裝置被連接到微網成為主機或從屬裝置

通道控制(續) • 加入新的從屬裝置的七個暫時的子狀態 • 傳呼– 裝置發出傳呼 (由主機啓動並連線至一從屬裝置) • 傳呼掃瞄 – 裝置聽取有自己DAC的傳呼 • 主機回應 –做為主機的裝置由一個從屬裝置收到一個傳呼回應 • 從屬裝置回應 –做為從屬的裝置回應來自於主機的傳呼 • 詢問 –裝置發出詢問，找出範圍內裝置的身份 • 詢問掃瞄 –裝置聽取詢問 • 詢問回應 –發出詢問的裝置收到詢問回應

藍芽狀態轉移圖 待機詢問掃瞄傳呼詢問傳呼掃瞄從屬裝置回應掃瞄主機回應詢問回應連線圖5.12 藍芽狀態轉移圖圖15.4 主機/從屬裝置關係

詢問程序 • 由一潛在的主機辨別在範圍內希望加入此微網的裝置 • 傳輸一個帶有詢問存取碼(IAC)的ID封包 • 發生於詢問狀態 • 當裝置接收此詢問 • 進入詢問回應狀態 • 回傳一個含有主機啟動連線所需的裝置位址與時序資訊 • 移到傳呼掃瞄狀態

傳呼程序 • 主機用裝置的位址去計算傳呼跳頻序列 • 主機用一ID封包傳呼，但此次是採用特定從屬裝置存取碼(DAC) • 從屬裝置回傳相同的DAC ID封包給主機 • 主機以FHS封包回應 • 從屬裝置傳送回應DAC ID封包給主機以確認收到主機的FHS • 從屬裝置由回應狀態轉移至連結狀態

從屬裝置連線狀態模式 • 活動的 –參與微網 • 傾聽,發射以及接收封包 • 感測 – 只能在特定時槽傾聽其訊息 • 暫停 – 在此模式下的裝置並不支持ACL封包 • 功率降低的狀態 • 從屬裝置仍可參與SCO的交換 • 停泊– 不參與微網 • 仍保留成微網的一部分

藍芽的音訊 • 語音編碼方式: • 脈碼調變 (PCM) • 連續可變斜率脈波 (CVSD) 調變 • 其選擇由兩個通訊裝置的鏈結管理者決定 • 雙方協商出一應用最適當的方法

藍芽的安全性 • 鏈結安全的機置: • 認證 – 確認宣稱身分 • 加密　– 隱密性 • 金匙管理與使用 • 安全演算法參數: • 單元位址 • 秘密認證金匙 • 秘密隱密金匙 • 隨機數

LMP PDUs (1) • 一般回應 • 安全服務 • 認證 • 成對 • 更換鏈結金匙 • 更換目前的鏈結金匙 • 加密

LMP PDUs (2) • 時脈同步 • 時序偏移請求 • 時槽偏移資訊 • 時序準確資訊請求 • 通訊裝置之資訊 • LMP 版本 • 有支援的特色

LMP PDUs (3) • 模式控制 • 交換主機/從屬裝置的角色 • 名字請求 • 脫離 • 暫停模式 • 感測模式 • 停留模式 • 功率控制

LMP PDUs (4) • 模式控制 (cont.) • 一通道品質驅動的DM與DH間的改變 • 服務品質 • 多時槽封包的控制 • 傳呼機制 • 鏈結監督

L2CAP • 提供跨分享媒介網路之間個體的鏈結層協定 • 依賴較低層提供的流量與錯誤控制 • 使用ACL鏈結但是不支援SCO鏈結 • 提供較上層協定兩個選擇性服務之一 • 無連結服務 • 連結模式服務

L2CAP 邏輯通道 • 無連結 • 支援無線連結服務 • 每一個通道均是單方向的 • 此類通道通常用來從主機廣播到多個從屬裝置上 • 鏈結導向 • 支援鏈結導向服務 • 每個通道都是雙向的 • 信號示意 • 給L2CAP個體間交換信號顯示訊息之用

L2CAP 在無線連結服務的封包格式 • 長度– 資訊承載加上PSM欄位的長度通道，以位元組計 • 通道ID – 2這個值表示無連結通道 • 協定/服務多工器(PSM) – 識別出此封包中之承載的較高層接收者 • 在鏈結導向封包不被包含 • 資訊承載 – 較高層的使用者資料

信號示意封包 • 由一或多個L2CAP命令所組成,而每個命令包括下列四欄位 • 碼– 識別命令的種類 • 識別者– 用來比對所要求的與其回覆的 • 長度– 命令資料欄位的長度 • 資料 – 與此命令相關的額外資料(若需要)

L2CAP 信號示意命令碼

L2CAP 信號示意命令 • 命令拒絕這個命令 • 送出命令拒絕這個命令可拒絕任何命令 • 連結命令 • 用來建立新的邏輯連結 • 組織命令 • 建立兩個L2CAP個體間初始的邏輯鏈結傳輸合約

L2CAP信號示意命令 • 斷線命令 • 用來終止一個邏輯通道 • 迴響命令 • 用來尋求來自於遠端L2CA個體的回應 • 資訊命令 • 用來尋求來自於遠端L2CAP個體所發出與實現相關的資訊

服務品質(流量規格參數) • 服務種類 • 權標速率(位元組/秒) • 權標桶的大小(位元組) • 尖峰頻寬(位元組/秒) • 潛伏期(10-6秒) • 延遲變動(10-6秒)

第十五章藍芽